半实物仿真三轴转台校准方法研究

黎安兵 郭颂

摘 要：本文以半实物仿真系统为研究对象，通过研究其工作原理，研究实现半实物仿真系统转台的角位置参数、角速率参数校准，以及目标信号模拟器的位置参数的校准方法，并开发基于VC++软件平台的半实物仿真系统现场校准软件，采用无线通讯技术，实现半实物仿真系统的校准数据无线传输到上位机上进行数据处理，最终实现半实物仿真三轴转台的自动化校准。

关键词：转台;角位置;角速率;目标信号模拟器

中图分类号：TJ765 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）21-0062-02

0 引言

半实物仿真系统，通常置于仿真微波暗室内。它用于真实地模拟导弹实际飞行时的各种姿态，复现其动力学特征，考核其制导系统，控制系统的性能，是在导弹飞行试验之前用来验证导弹导引头设计方案的正确性和考核飞行软件合理性的关键技术手段之一，由仿真计算机建立真实的飞行过程环境，在试验室环境条件下模拟导弹的飞行过程，这种试验方法是全面考核導弹导引头性能指标的一项十分重要的大型试验。

正是由于半实物仿真试验避开了全数学仿真的复杂性和不准确性，提高了仿真的精度和结果的可靠性，同时具有安全、高效、经济性和重复使用等特点。国外已发展成熟并得到了较好应用，做得较好的有美国的陆军高级仿真中心、英国的BAE试验室等，都可完成多种型号导弹的仿真，这些试验室的建立大大推进了导弹武器系统的研制，减低了试验成本和风险，在导弹研制中起着越来越重要的作用。

综上所述，开展半实物仿真系统现场校准技术研究，研建半实物仿真系统校准装置，解决半实物仿真系统数据准确、量值统一问题，对有效保障产品科研生产和全寿命周期可靠性，有着非常重要而迫切的现实意义。

1 半实物仿真系统的工作原理

半实物仿真系统，主要由三轴转台和目标信号模拟器（目标模拟阵列）组成，如图1所示，通常置于仿真微波暗室内。它用于真实地模拟导弹实际飞行时的各种姿态，复现其动力学特征，考核其制导系统，控制系统的性能，是在导弹飞行试验之前用来验证导弹导引头设计方案的正确性和考核飞行软件合理性的关键技术手段之一，试验时将导弹导引头以实物的形式安放在导弹半实物仿真系统三轴转台的回转中心（如图1所示），由仿真计算机建立真实的飞行过程环境，在试验室环境条件下模拟导弹的飞行过程，这种试验方法是全面考核导弹导引头性能指标的一项十分重要的大型试验。

半实物仿真系统的三轴转台用来模拟导弹实际飞行过程中的俯仰、偏转和滚动等运动状态，考核导引头的测量系统;目标模拟阵列用来考核导引头对目标的自动跟踪性能。

2 半实物仿真系统校准装置的设计

本文以半实物仿真系统为研究对象。校准装置主要由三部分组成：

（1）仿真系统三轴转台角位置参数（静态参数）校准：拟采用新添置的自准直仪和原有的23面棱体，配备相应的测试夹具组成仿真系统三轴转台角位置参数校准系统。（2）仿真系统三轴转台角速率参数（动态参数）校准：拟采用新研制的高精度转台角运动参数测量系统，配备相应的工装组成转台角速率参数校准系统。（3）目标信号模拟器（目标模拟阵列）位置参数的校准：采用全站仪，配备相应的工装组成目标信号模拟器位置参数校准系统。

2.1 仿真系统三轴转台角位置参数的校准方法

仿真系统三轴转台角位置参数校准装置由23面棱体、分辨率为0.1″光电自准直仪和相应的测试夹具组成。

在校准过程中，首先将自准直仪对准23面棱体的第1面，记录自准直仪的读数，然后根据23面棱体的角度，被测转台顺时针旋转相应的角度，记录自准直仪读数，重复上述操作，直至检测到棱体的第23面;过行程操作后，再逆时针旋转被测转台，记录相应的自准直仪读数，最后通过数据处理，得到仿真系统三轴转台角位置参数的误差值。

2.2 仿真系统三轴转台角速率参数的校准方法

高精度三轴转台角速率校准装置是整套系统校准装置的核心，它通过工装安装到半实物仿真系统平台上，与仿真系统随动，当仿真系统的转台运动时，时基电路立即开始计时，同时测角装置记录角速率校准装置转动的角度，通过数据采集与处理系统记录和分析数据，得到角速率参数指标，与仿真系统输入的角速率参数指标进行比较，实现对半实物仿真平台角速率参数的校准。仿真系统三轴转台角速率参数校准装置主要由测角装置、时基电路、校准工装、数据采集与处理系统等部分组成。

测角装置是角速率参数校准的关键，它的结构和技术指标对整套校准装置的有着直接的影响。测角装置主要由三部分组成，一是圆光栅;二是细分盒;三是计数接口。细分盒的作用是将光电编码器输出的正弦信号经过细分，然后转换成方波信号输出。转换过程如图2所示。

考虑到三轴转台仿真系统的速率范围宽，分辨率高，故选择一个刻线数高的光栅，通过更换细分盒来满足系统不同量程的测试要求。

2.3 目标信号模拟器（目标模拟阵列）位置参数的校准方法

目标模拟阵列及阵列馈电系统又称阵列系统，是地空导弹导引头半实物仿真系统的重要组成部分。阵列式目标仿真系统采用电路控制的方法来实现目标空间角度运动的仿真，目标模拟信号是以阵列上相邻的三个单元辐射的合成信号来表示，相应的三个单元按照等边三角形排列，构成一个子阵列，称为三元组。三元组的辐射信号，通过射频开关矩阵的控制，使目标模拟信号由一个三元组转移到另一个三元组，从而实现目标位置的粗位控制;三元组内三个单元的辐射信号，分别通过程控衰减器及移相器，来改变它们之间的相对幅度及相位，从而控制目标模拟信号在三元组内的精确位置。其原理图如图3所示。

由于目标模拟阵面是建立在离仿真平台较大距离和空间的位置，属于空间大尺寸测量，本文采用全站仪作为主标准器，配以必要的工装和配套仪器设备或者采用阵列标定与校准软件，开展校准方法的研究，编制校准软件，来实现对目标阵列的校准。通过全站仪采集三元组中三个喇叭天线的位置及角度，进行相应的数据处理后，得到目标信号模拟器喇叭天线的角度值，从而实现目标信号模拟器的校准。

2.4 半实物仿真系统现场校准软件

基于VC++软件平台的头半实物仿真系统现场校准软件。针对现场校准的特点，研发实用简便的现场校准软件。校准软件通过无线通讯模块将圆光栅的位置和时基电路的数据传入上位机，通过校准软件进行数据处理，以实现对地空导弹导引头半实物仿真系统的校准。

通过无线通讯模块，避免测试线在测试时缠绕在被测转台上，避免高速运行的转台对测试线的损伤;校准软件可对半实物仿真系统进行角位置分析和角速率分析;具有限位报警功能，避免对校准装置硬件造成损伤。

3 结语

本文以半实物仿真系统为研究对象，研究实现半实物仿真系统转台的角位置参数、角速率参数校准，以及目标信号模拟器的位置参数的校准方法，并开发基于VC++软件平台的头半实物仿真系统现场校准软件，采用无线通讯技术，实现半实物仿真系统的校准数据无线传输到上位机上进行数据处理，最终实现半实物仿真三轴转台的自动化校准。

参考文献

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[3] 李志成，任顺清，等.三轴转台三轴交汇中心位置对准方法的研究[J].宇航计测技术，2009（04）：78-79.